采用PTTL方法对掺杂锰杂质的磷酸锌纳米结构进行研究

《Radiation Physics and Chemistry》：PTTL investigation of zinc phosphate nanostructures doped with manganese impurities

本研究系统探究了锰掺杂磷酸锌（Zn3(PO4)2:Mn）纳米颗粒的光转移热释光（PTTL）特性，重点评估其剂量恢复与重估能力。通过共沉淀法合成纳米颗粒，利用XRD、SEM和EDS确认其结构及掺杂效果，确定最佳锰掺杂浓度为0.2 mol%。经γ射线（10-1000 Gy）辐照和紫外（UV）激发后，热释光 glow curve主峰位于454 K，经分解为452 K和518 K两个峰。实验表明，在深陷阱填充条件下，剂量响应线性良好，UV辐照可显著提升信号恢复效率，剂量恢复率达33%以上，验证了该材料在辐射剂量重评估中的潜力。

　　

Z. Golshahri|E. Sadeghi

伊朗卡尚大学物理系

摘要

本研究系统地探讨了掺锰磷酸锌（Zn₃(PO₄)₂:Mn）纳米颗粒的光转移热释光（PTTL）特性，特别关注其剂量恢复和重新评估能力。这些纳米颗粒通过共沉淀法制备，其结构特征通过XRD、SEM和EDS技术进行了分析。最佳掺锰浓度确定为0.2摩尔%。为了评估热释光转移特性，样品使用⁶⁰Co源在10、50、100、500和1000 Gy的剂量范围内受到伽马射线照射，随后使用Philips TUV 55 W HO G55T8 UVC灯进行紫外激发。热释光发光曲线在454 K处显示出一个主要峰值，解卷积分析表明该峰值由452 K和518 K处的两个重叠峰组成。

在不同深度陷阱填充条件和各种紫外照射持续时间下，评估了所制备剂量计的线性剂量响应。此外，还分析了Zn₃(PO₄)₂:Mn的PTTL行为，包括等温衰减和初始剂量恢复特性。主要PTTL发光峰的剂量恢复效率超过33%，表明其在剂量重新评估方面具有潜在应用价值。

引言

通常，用于热释光（TL）的材料是绝缘体，因为它们的导带电子主要由电离辐射激发。材料发射电磁辐射有两种主要机制。第一种是吸收的能量转化为热能并以热的形式释放；第二种是吸收的能量的一部分激发原子，使电子跃迁到更高能级，这些电子在返回稳定能级时释放光子（Gracida等人，2017年）。在发光现象中，热释光被广泛用于检测暴露于电离辐射的剂量计中的辐射剂量。然而，当TL曲线饱和或失真时，会导致剂量恢复不准确（Budzanowski等人，2013年；Sas-Bieniarz等人，2019年）。此外，一旦剂量计被读取，其中存储的信息就会丢失，无法再次获取。

为了解决这个问题，Alexander等人（1997年；Alexander & McKeever，1998年；Wintle & Murray，1997年；Mu?iz等人，1999年；Sas-Bieniarz等人，2014年；Wrzesien等人，2020年）引入了光转移热释光（PTTL）现象。这种方法通过在初次读取后用紫外光照射剂量计，促使残余电子从深层陷阱转移到表层陷阱，从而实现第二次读数。随后可以通过TL读数估算原始剂量（Abraham等人，2008年）。除了剂量测量和测年技术（McKeever，1985年）之外，研究PTTL还有助于理解目标材料中的发光机制（Bulur和GoEksu，1999年）。此前已有多项研究探讨了基于磷酸盐系统的光转移热释光现象。例如，Zhou等人（2025年）研究了NaLi₂PO₄:Eu荧光体中光刺激发光（OSL）、热释光（TL）和PTTL之间的关系，发现光刺激可以增强TL峰。此外，还有报道指出，在紫外照射下，天然磷酸盐的光转移热释光表现出从0.1 Gy到1000 Gy的伽马剂量范围内的线性PTTL响应，并且有效信号可用于剂量重新评估（Aloraini等人，2018年）。

虽然稀土掺杂剂常用于提高TL灵敏度（Shoushtari等人，2018年；Zahedifar等人，2019年；Singh等人，2021年），但锰具有成本较低、易获取性和强红色发射等优点，使其成为有前景的剂量测量掺杂剂（Naderi等人，2024年；Flores Rivera等人，2021年）。此外，Mn²⁺离子可以提高热稳定性并抑制非辐射能量转移，从而提高PTTL性能（Zhang Jing等人，2023年）。锰还与其他掺杂剂相比，与晶体基体的兼容性更好，化学稳定性更高，能量水平更合适（Binbin等人，2020年）。

与传统的剂量测量载体（如LiF: Mg,Ti、CaSO₄: Dy和Al₂O₃: C）相比，磷酸锌具有化学稳定性、较低的有效原子序数以及适合陷阱工程的结构灵活性。Mn²⁺离子主要作为发光复合中心，同时通过晶格扰动改变陷阱深度分布。尽管之前已有关于基于磷酸盐的PTTL材料的研究，但紫外诱导的电荷重新分布效率及其动力学特性仍不够明确。因此，针对掺锰磷酸锌纳米颗粒及其PTTL特性的详细研究仍然十分必要。

材料与方法

目前，纳米结构是通过多种方法制备的（Abdelghany等人，2024年）。Zn₃(PO₄)₂纳米结构是使用硫酸锌、磷酸二氢铵（ADP）、Brij-35和氯化锰（均购自Merck）合成的（Habibi等人，2026年；Grzmil等人，2007年）。3.50克硫酸锌前驱体溶解在去离子水中作为基础溶液。另外，3.5克Brij-35（作为粒径控制剂和表面活性剂）溶解在丙酮中，2.49克……

结论

系统地研究了掺锰磷酸锌纳米片的合成和光转移热释光特性。通过XRD、SEM和EDS进行的结构分析证实了磷酸锌纳米荧光体的形成以及锰掺杂剂的成功掺入。解卷积和等温衰减方法用于分析重叠的发光峰。第一个峰的激活能为0.81 eV，第二个峰的激活能为0.96 eV。

CRediT作者贡献声明

Ehsan Sadeghi：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理。Zahra Golshahri：撰写——初稿，方法学，研究

未引用的参考文献

Abdelghany等人，2025年；A?lar，2023年；Bulur和G?ksu，1999年；Horowitz等人，2017年；Grossi和Campos，2002年；Grzmil等人，2007年；Habibi和Sadeghi，2026年；Silva等人；Shoushtari等人，2018年；Sunta，2015年；McKeever，1985年；Pradhan，1985年；Wrzesień等人，2020年；Zhang等人，2023年。

利益冲突声明

作者声明与本文无关的实际或潜在利益冲突。

数据和材料的可用性

不适用。

资助情况

无需要声明的资助。

利益冲突声明

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